王曉華 趙倩

摘 要： CMOS晶體管的寬長比是集成電路設(shè)計中非常重要的一個參數(shù)?！都呻娐吩O(shè)計基礎(chǔ)》課程教學(xué)中分析了經(jīng)典CMOS電路中設(shè)計寬長比計算的基本原理。本文運用黑盒子法分析計算CMOS電路中晶體管的寬長比，提出支路分析法，并對兩種分析方法進行對比討論。集成電路設(shè)計中可以根據(jù)實際情況選擇不同分析方法。

關(guān)鍵詞： 寬長比；黑盒子法；支路法

中圖分類號： G642 文獻標(biāo)識碼： C

CMOS晶體管寬長比是NMOS/PMOS管的溝道寬度與溝道長度的比值，它是集成電路設(shè)計中非常重要的一個參數(shù)，對電路的速度、功耗、延時以及輸出波形的上升/下降時間都有重要的影響[1-3]。

《集成電路設(shè)計基礎(chǔ)》課程大綱中規(guī)定必須熟練掌握CMOS晶體管寬長比計算。在CMOS組合邏輯電路中n個MOS管并聯(lián)，其寬長比通常保持與等效倒相器中對應(yīng)的MOS管一致，而n個MOS管串聯(lián)，其寬長比應(yīng)變?yōu)榈刃У瓜嗥髦袑?yīng)的MOS管的n倍[4]。

如圖1所示電路中，等效倒相器中PMOS管的寬長比為2，NMOS管的寬長比為1， 為保持上升下降時間與等效倒相器相同，求圖中各MOS管的寬長比[4]。

對于此類型的CMOS組合邏輯電路可以采用黑盒子法或支路法分析解決。

1 黑盒子法

3 分析討論

綜上所屬，黑盒子法分析得到的所有MOS管的寬長比之和為：1+2+4*5+4*2+3*8+16*2=87；

支路法1（關(guān)鍵支路L5）得到的所有MOS管的寬長比之和為： 1+3*6+4*6+12*2+3=70；

支路法2（關(guān)鍵支路L6）得到的所有MOS管的寬長比之和為： 1+3*6+8*5+4+3=66。

由以上對比可知，不同的計算方法所得寬長比不同，寬長比總和也有較大差異，黑盒子法最大，支路法2（關(guān)鍵支路L6）最小。對應(yīng)不同的寬長比總和，電路版圖的面積也會存在相應(yīng)的差別，可根據(jù)實際芯片對面積的要求進行選擇。黑盒子分析法通過暫時屏蔽某部分電路，將該部分作為整體來看，能詳細分析電路中各MOS管之間的串、并聯(lián)關(guān)系。支路法的重點是選擇合適的關(guān)鍵支路，不同的關(guān)鍵支路，計算出的寬長比不同。

此外，CMOS管寬長比還影響CMOS管的電阻、電容，而這兩個參數(shù)決定了門電路的門延遲，這也是在設(shè)計集成電路路要考慮的非常重要的參數(shù)。所以實際集成電路設(shè)計過程中確定CMOS管寬長比的時候不僅僅要考慮電路的面積，還要根據(jù)對門電路延遲的要求統(tǒng)籌安排。

致謝： 本論文受上海電力學(xué)院本科生教育教學(xué)改革（核心課程建設(shè)）項目資助，在此衷心感謝！

參考文獻：

[1]張迪.大功率高效率CMOS整流電路的分析與設(shè)計[J].電子技術(shù)，2017（03）：54-57.

[2]董海青.寬長比對CMOS反相器開關(guān)時間影響的分析[J].信息化研究，2012（02）：52-54.

[3]崔江維.溝道寬長比對深亞微米NMOSFET總劑量輻射與熱載流子損傷的影響[J].物理學(xué)報， 2011（02）：026102-1-7.

[4]李偉華.VLSI設(shè)計基礎(chǔ)（第三版）[M].北京：電子工業(yè)出版社出版，2013：23-33.

項目：上海電力學(xué)院本科生教育教學(xué)改革（核心課程建設(shè)）項目

作者簡介： 王曉華，女，博士在讀，講師，主要研究方向： 光學(xué)材料與器件。